Fizycy z Massachusetts Institute of Technology zamieniają ołówek w elektroniczne „złoto”.

Izolacja z cienkiej folii, którą można dostroić tak, aby wykazywała trzy ważne właściwości.

Instytut Technologii w Massachusetts Fizycy w przenośni zamienili grafit, czyli ołówek, w złoto, izolując pięć ultradrobnych płatków ułożonych w określony sposób. Powstały materiał można następnie dostroić tak, aby wykazywał trzy ważne właściwości, których nigdy wcześniej nie widziano w naturalnym graficie.

„To jak zakupy w jednym miejscu” – mówi Long Guo, adiunkt na Wydziale Fizyki MIT i kierownik badań opublikowanych w numerze czasopisma z 5 października. Nanotechnologia natury. „Natura kryje wiele niespodzianek. W tym przypadku nigdy nie zdawaliśmy sobie sprawy, że wszystkie te interesujące rzeczy są w graficie.

Co więcej, „bardzo rzadko można znaleźć materiały o tak wielu właściwościach” – mówi.

Powstanie „Twistronics”

Grafit jest wykonany z GrafenJest to pojedyncza warstwa atomów węgla ułożona w sześciokątne kształty przypominające strukturę plastra miodu. Grafen z kolei jest przedmiotem intensywnych badań, odkąd został wyizolowany po raz pierwszy około 20 lat temu. Około pięć lat temu naukowcy, w tym zespół z MIT, odkryli, że układanie pojedynczych arkuszy grafenu i skręcanie ich pod niewielkim kątem względem siebie może nadać materiałowi nowe właściwości, od nadprzewodnictwa po magnetyzm. Narodziła się dziedzina „twistroniki”.

W obecnej pracy „odkryliśmy interesujące właściwości bez żadnego skręcania” – mówi Gu, który jest również powiązany z Laboratorium Badań Materiałowych.

Artystyczna demonstracja wiązania elektronów, czyli zdolności elektronów do wzajemnej rozmowy, która może wystąpić w specjalnym rodzaju grafitu (ołówek). Źródło obrazu: Sampson Wilcox, Laboratorium Badań nad Elektroniką MIT

On i jego koledzy odkryli, że pięć warstw grafenu ułożonych w określonej kolejności pozwala elektronom poruszającym się w materiale rozmawiać ze sobą. Zjawisko to, znane jako korelacja elektronów, „jest magią, która umożliwia zastosowanie wszystkich tych nowych właściwości” – mówi Joe.

Grafit masowy – a nawet pojedyncze arkusze grafenu – są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego, ale to wszystko. Materiał wyizolowany przez Gu i jego współpracowników, który nazywają pięciowarstwowym grafenem, staje się znacznie większy niż suma jego części.

Nowatorski mikroskop i jego odkrycia

Kluczem do wyodrębnienia materii był A Nowatorski mikroskop Joe w MIT w 2021 roku będzie w stanie szybko i stosunkowo niedrogo określić szereg ważnych właściwości materii. Skala nano. Ułożony grafen z warstwą pięciościenną ma zaledwie kilka miliardowych części metra grubości.

Naukowcy, w tym Gu, poszukiwali wielowarstwowego grafenu, który byłby ułożony w bardzo precyzyjny sposób, zwany układaniem rombowym. „Po zejściu do pięciu warstw istnieje ponad 10 możliwych kolejności układania w stosy” – mówi Joe. „Romboedryczny jest tylko jednym z nich.” Mikroskop wykonany przez Joe, znany jako skaningowa mikroskopia optyczna bliskiego pola typu rozpraszającego, w skrócie s-SNOM, pozwoliło naukowcom zidentyfikować i wyizolować tylko pięć warstw, co ich zainteresowało w rombowej kolejności ułożenia.

Wieloaspektowe zjawiska fizyczne

Stamtąd zespół przymocował elektrody do małej kanapki składającej się z „chleba” azotku boru, który chroni cienkie „mięso” ułożonego w stos pięciościennego grafenu. Elektrody pozwoliły im dostroić system do różnych napięć lub różnych wartości. Wynik: odkryli, że w zależności od liczby elektronów zalewających układ pojawiają się trzy różne zjawiska.

Doktor habilitowany MIT Zhengguang Lu, adiunkt Long Ju i doktorant Tonghang Han są w laboratorium. Ta trójka jest autorem artykułu w czasopiśmie Nature Nanotechnology na temat specjalnego rodzaju grafitu (ołówka) oraz siedmiu innych. Źródło: GoLab

„Odkryliśmy, że materia może mieć charakter izolacyjny, magnetyczny lub topologiczny” – mówi Gu. To ostatnie jest w pewnym stopniu związane zarówno z przewodnikami, jak i izolatorami. Joe wyjaśnia, że ​​materiał topologiczny pozwala na niezakłócony ruch elektronów wokół krawędzi materiału, ale nie przez jego środek. Elektrony poruszają się w jednym kierunku wzdłuż „autostrady” na krawędzi materiału oddzielonego ośrodkiem tworzącym środek materiału. Zatem krawędź materiału topologicznego jest doskonałym przewodnikiem, podczas gdy środek jest izolatorem.

„Nasza praca ustanawia rombowy, wielowarstwowy grafen jako wysoce przestrajalną platformę do badania nowych możliwości fizyki topologicznej i silnie sprzężonej” – podsumowują Guo i jego współautorzy w swojej książce Nanotechnologia natury.

Odniesienie: „Spójne dielektryki i izolatory Cherna w pięciowarstwowym grafenie ułożonym” autorstwa Tonghang Han, Zhenguang Lu, Giovanni Scurri, Jihu Song, Gui Wang, Tian Yi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park i Long Ju, 5 października 2023, Nanotechnologia natury.
doi: 10.1038/s41565-023-01520-1

Oprócz Gu autorami artykułu są Tonghang Han i Zhenguang Lu. Han jest absolwentem Wydziału Fizyki. Lu jest stażystą podoktorskim w Laboratorium Badań Materiałowych. Są oni pierwszymi autorami artykułu.

Inni autorzy to Giovanni Scurri, Jiho Song, Joy Wang i Hongkun Park z Uniwersytetu Harvarda; Kenji Watanabe i Takashi Taniguchi z Narodowego Instytutu Nauki o Materiałach w Japonii oraz Tianyi Han z Massachusetts Institute of Technology for Physics.

Praca ta była wspierana przez stypendium Sloana; Amerykańska Narodowa Fundacja Nauki; Biuro Podsekretarza Obrony ds. Badań i Inżynierii; Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki KAKENHI; Wiodąca na świecie międzynarodowa inicjatywa badawcza w Japonii; oraz Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych.